本文設計了壹類由IGBT、MCS96系列CPU芯片支持的全數字轉差式矢量控制系統。該系統具有精度高，調速範圍寬，動態響應快，節能效果顯著，可靠性高，諧波電流小，對電網汙染小，安全可靠，保護功能齊全等顯著優點，不僅使用於數控機床主軸伺服傳動，而且還可廣泛用於普通機床、風機、水泵及其它傳動機械的速度控制。
2 控制策略
矢量變換控制是在電機統壹理論、機電能量轉換和坐標變換理論的基礎上發展起來的，具有先進性、新穎性和實用性的特點。矢量控制是把交流電機模擬成直流電機來控制，通過坐標變換的方法把交流電機定子電流矢量分解成按轉子磁場定向的兩個直流分量，並對這兩個分量進行控制。矢量控制所依據的異步機數學模型是按轉子磁場定向的異步電動機電壓方程〔3〕：
依此可推導出如下矢量控制基本方程為
M、T坐標以同步角速度ωs旋轉，M軸與轉子磁通Ψr重合，θM為轉子磁通定向角，隨時間變化，即
定子三相電流iA、iB和iC經過坐標變換，得到同步旋轉M、T坐標的兩個電流分量iM和iT,它們之間的變換關系為
根據上述原理，得到矢量控制系統的框圖如圖1所示。
圖中逆變器采用電流跟蹤型PWM逆變器，勵磁給定φ*r由ωr/φr函數發生器獲得，轉矩給定T*m由速度調節器ST給出。矢量控制器根據φ*r和T*m算出勵磁電流給定i*T和轉差角頻率給定ω*f。ω*f與電動機轉速ωr相加得到定子角速度ωs，再經積分，即得轉子磁通的相位信號θM。
三相電流iA、iB和iC經矢量轉換器得到磁場定向電流分量iM和iT。iM和iT分別與i*M，i*T比較，其偏差ΔiM、ΔiT通過三級磁滯控制器輸出dM、dT。dM、dT和θM形成壹個數據字，該數據字通過開關控制表選擇相應的電壓矢量，同時產生壹組開關脈沖SA，SB，SC，這樣就能及時而準確地控制逆變器，以獲得優良的調速性能。
3 系統硬件設計
該變頻器采用交直交電壓型結構和SPWM磁通矢量控制方式，主回路主要由整流電路、濾波器及逆變電路等組成。其逆變電路則由IGBT模塊組成，控制部分以80C196雙CPU為核心，構成功能齊全的全數字化轉差矢量控制系統。系統采用通用性模塊化結構，全部硬件如下：
系統硬件框圖如下：
CPU1#主要完成轉速環的工作，完成轉速檢測、轉速給定的A/D采樣、鍵盤輸入、參數修改、狀態顯示、保護功能及故障自診斷等功能。CPU1#最重要的任務是完成轉速調節器和轉差調節器的數字實現，向CPU2#提供指令信號i*M、i*T、ω*f。
CPU2#主要完成電流環的工作，通過12位A/D獲取三相電流和電壓信號值，而後從***享RAM中得到CPU1#提供的指令值及其它重要的系統參數。根據矢量變換原理進行矢量變換運算，組成轉矩角生成器、轉子磁通位置合成器、MT/ABC旋轉變換器、電壓矢量優化器、零矢量作用時間決定器及電流滯環比較器等環節，完成矢量控制的主要工作。輸出的控制電壓矢量進入8255組成的互鎖驅動信號電路，通過光電耦合器進入IGBT基極驅動電路。
4 系統軟件設計
在本雙機系統中，CPU1#主要完成轉速外環的調節工作，同時給CPU2#提供PWM資源，CPU2#則主要完成電流內環的調節工作，兩者***享8155內部RAM的資源。系統實時性要求較強，鑒於此，系統軟件用匯編語言中的原碼無符號數進行運算，以模塊化方式如下編制：
由於本系統是通過控制定子電流的瞬時位置和幅值大小來控制電機的轉矩和轉速的，所以電流跟隨特性是實現該方案的關鍵。通過采用先進的CPU2#芯片，改進程序設計，極大地提高了系統的運算速度。
這裏采用的是三電流滯環比較方案，即利用CPU2#得到三相電流給定值，由三路霍爾元件直接測量三相實際電流的大小，兩者作為電流滯環比較器的輸入進行比較，得到各相輸出電壓矢量控制信號。另外，它還可以預防由於A/D環節采樣來的實際電流值的不確定性而造成的系統運算誤差甚至錯誤。每路輸出信號控制壹相橋臂晶體管的開通與關斷，使每相的電流偏差變化能夠控制在滯環寬度以內。滯環寬度越小，開關頻率也將越高，相電流也越接近正弦波。但是頻率的大小還受限於開關元件的開關頻率極限能力。為了盡量降低元件的開關頻率，本方案優化了輸出的電壓矢量，靈活地插入了零電壓矢量，實際運行中可看出，它有效地降低了電機運行中的高次諧波分量，電流波形得到明顯的改善，提高了本系統的穩定度，明顯降低了主回路的熱損耗。 5 保護電路設計
眾所周知，檢測、保護電路是變頻器的生命線，設計周密、功能完善的檢測及保護回路歷來是至關重要的。控制板從主回路檢測的信號***有6種，這些信號用來完成矢量控制算法和各種保護功能。
5.1 電流檢測及過流保護電路
電流檢測信號來自逆變器U、V兩相輸出端的霍爾元件，霍爾元件通過插座CN2獲得15V電源。U、V兩相電流檢測信號經首級運放A6和A5放大20倍後送入兩級運放A8和A7(如圖3所示)。
調整兩級運放的放大倍數即可確定過流保護動作值。U、V兩相電流通過反相加法器A9疊加獲得W相電流信號。U、V、W各相電流分別同時送入兩個比較器的正、反相輸入端。比較器正、反相輸入端的參考電壓分別為+10V和-10V。當三相電流正常時其對應的電壓在±10V之間，六個比較器相與後輸入為1，此信號經三極管反相後送入由多諧振蕩器D4528組成的單穩態觸發器，-Q輸出為0，比較器A17、A18輸出信號也應為0，保護電路不動作。壹旦過流，比較器相與輸出信號為0，D4528的輸入信號(12腳)為1，其輸出經單穩延時後才變為1，通過三極管N2放大後去關閉GTR的驅動信號並通知CPU發出過電流報警信號。單穩態觸發器的作用是避免壹些幹擾信號或瞬間尖峰電流造成的保護電路誤動作。
5.2 過壓和欠壓保護電路
直流電壓檢測從中間直流回路兩端采集信號(如圖4所示)。直流高電壓(約600V)經R61、R62分壓後，分別送至四個比較器A1～A4的正相輸入端與四個參考電壓A、B、C、D比較，以完成過壓和欠壓保護並通知CPU發出相應的報警信號。
比較器參考電壓取自電阻R51～R57組成的分壓器，10V標準電壓經電阻分壓後取出四個不同的參考電壓分別送至四個比較器的反相輸入端，比較器輸出信號經光耦隔離、阻容濾波之後再經施密特反相器把信號送至CPU進行處理。其余三個比較器的周圍電阻參數均相同。
正常狀態下，電壓取樣值(3V左右)處於B點和C點的電位之間，比較器A1、A2輸出1，A3、A4輸出0。B、C間的電壓範圍較大，當電源電壓在300～460V間變化時，變頻器正常工作。A、B和C、D間的電壓範圍均較小，壹旦電壓處於此範圍外，變頻器便發出過壓或欠壓預報警信號，按預定的控制順序關機。
5.3 過熱檢測電路
廂體內四塊散熱器上各安裝壹只熱敏元件PTH5～PTH8，四只熱敏元件串聯後接光耦元件P4，其原理圖見圖5。正常狀態下，熱敏元件為常閉觸點，光耦導通輸出信號為0；當散熱片過熱時熱敏元件斷開，光耦截止輸出信號為1，該信號經RC濾波後去關閉GTR的驅動信號並通知CPU發出過熱報警信號。
5.4 接地故障檢測電路
接地故障檢測是通過套在主回路上的線圈來檢測三相電流平衡程度來實現的，其原理圖見圖6。正常時光耦截止輸出為1。當某相對地漏電時，三相電流不平衡，檢測線圈感生電勢使光耦P512導通，發出故障信號。
5.5 熔斷器熔斷檢測電路
熔斷器檢測是從F兩端取電壓信號，其原理圖見圖6。快熔正常時，兩端電壓極小，保護電路不動作。當快熔因過流燒斷時，兩端電壓變高，光耦導通發出故障信號，經兩個施密特反相器驅動後送至CPU。
5.6 轉速采樣
本系統要求轉速采樣信號準確，壹般的測速器件難以滿足要求，為此我們采用1024高分辨率的旋轉編碼器。利用A、B兩相信號，通過光耦隔離輸入數字測速單元。
6 實驗結果及結論
這裏給出了容量為22kVA的變頻器的主要技術指標：輸出電流為31A，基速為1500r/min，調速範圍為50～4800r/min，速度控制精度小於最高轉速的0.2%(10%～100%負載)。
圖7給出了三電流滯環控制及優化電壓矢量控制變頻器在10Hz時的輸出電壓和輸出電流波形，從實際波形中可看出，電流中高次諧波分量很小。
圖8所示是本系統的動態響應曲線。系統進入穩態後突加負載(TL=50N.m)，最大動態速降僅為9r/min，恢復時間也極短。本系統在空載和負載條件下均無穩態誤差，並且動態響應快、無速度超調，抗幹擾能力強。
總之，該變頻器總體設計周密，結構復雜、性能優良、保護功能齊全，已取得較好的推廣應用效果。